Сравнительный анализ эффективности применения утеплителей в каркасном домостроении

В статье затрагивается проблема выбора теплоизоляционного материала для ограждающих конструкций каркасных домов. Представлены результаты лабораторных исследований минераловатных плит, плит беспрессового и экструзионного пенополистирола. Посредством натурных испытаний экспериментального каркасного дома исследовано температурно-влажностное состояние утеплителей в течение отопительного периода, а также стабильность их теплофизических показателей. Выполнено технико-экономическое сравнение применения минераловатных плит, плит беспрессового пенополистирола и экструзионного пенополистирола. Показано, что экструзионный пенополистирол отличается высокой эксплуатационной надежностью и максимальной экономической эффективностью.

УДК 699.865

В.П. ЯРЦЕВ, доктор техн. наук, профессор, завкафедрой, А.А. МАМОНТОВ, ассистент кафедры «Конструкции зданий и сооружений», ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»

Ключевые слова: минераловатные плиты, беспрессовый пенополистирол, экструзионный пенополистирол, каркасное строительство, эффективность утепления
Keywords: mineral wool boards, expanded polystyrene, extruded polystyrene, frame construction, heat insulation effectiveness

В последнее время энергоэффективные индивидуальные дома, возводимые по каркасной технологии, получают все большее распространение. Этому способствуют малый срок строительства, относительная простота и дешевизна строительно-монтажных работ, обусловленные высокой степенью заводской готовности монтируемых конструкций. Ремонтопригодность ограждений значительно увеличивает срок службы такого дома. В сравнении с традиционными ограждающими конструкциями стены, выполненные по каркасной технологии, характеризуются высокими теплоизоляционными качествами, имеют меньшую толщину, что при одинаковом пятне застройки увеличивает полезную площадь помещений.

В связи с тем, что в отечественной практике каркасного строительства наибольшее применение нашли теплоизоляционные изделия из минеральной ваты, беспрессового и экструзионного пенополистирола, возникает проблема экономически целесообразного выбора утеплителя, обеспечивающего наибольшую теплотехническую эффективность и эксплуатационную надежность ограждающих конструкций.

Принятие верного решения представляется возможным только в случае детального анализа как свойств самих материалов, так и применяемых конструктивных решений с учетом эксплуатационных особенностей ограждений и протекающих в них процессов.

С целью предварительного выбора наиболее подходящего для каркасных домов утеплителя в работе [1] проводился сравнительный анализ эксплуатационных свойств теплоизоляционных плит из минеральной ваты, беспрессового и экструзионного пенополистирола.

На основе имеющихся данных авторами показано, что, несмотря на простоту производства, негорючесть, хорошие тепло- и звукоизоляционные свойства, малую гигроскопичность и возможность изоляции поверхностей с высокими температурами, минераловатные плиты имеют определенные недостатки. Их низкая прочность требует дополнительных мер по защите от механических воздействий. Под нагрузкой плиты уплотняются, часть волокон ломается и превращается в пыль, что делает материал экологически небезопасным [1].

Представленные в работе [1] данные показывают хорошие эксплуатационные качества плит беспрессового пенополистирола. Такой утеплитель характеризуется благоприятным сочетанием малого объемного веса с низкой теплопроводностью и достаточно высокими прочностными показателями. Плиты отличаются стабильностью теплоизоляционных свойств в условиях несовершенной паро- и гидроизоляции, при циклических температурно-влажностных воздействиях; высокой химической стойкостью и экологичностью. Их огнестойкость повышается на стадии производства путем введения добавок, подавляющих самостоятельное горение, возможное только при непосредственном контакте с огнем. Стоит отметить простоту технологической обработки и монтажа данного теплоизоляционного материала.

Однако природа полимера и особенность строения беспрессового пенополистирола сказываются на его надежности. Относительно низкая прочность спекания гранул приводит к постепенному разрушению пенопласта по межгранульным поверхностям в случае механических и атмосферных воздействий. Необходимо соблюдать температурный интервал эксплуатации в пределах -50…+75°С, защищать от действия растворителей и ультрафиолета.

Авторами статьи [1] отмечаются повышенные механические и теплофизические качества плит экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС®. Материал отличается минимальной паропроницаемостью и очень низким водопоглощением, величина которого в 10 раз меньше, чем у беспрессового пенопласта, и в 200 раз меньше, чем у минераловатных плит. Благодаря однородной закрытопористой структуре экструзионный пенополистирол ПЕНОПЛЭКС® характеризуется высокой стойкостью к систематически действующим отрицательным температурам и влажности, сохраняя теплопроводность и прочность на заявленном уровне. Вместе с тем при эксплуатации данного материала необходимо учитывать диапазон его рабочих температур (от -50 до +75°С) и подверженность действию растворителей, возможность деструкции поверхностного слоя при длительном воздействии интенсивного солнечного света.

Выполненный в [1] сравнительный анализ эксплуатационных свойств теплоизоляционных материалов показал, что наиболее подходящими для утепления каркасных домов являются плиты экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС®, обладающие высокими физико-техническими характеристиками. По сочетанию механических и теплофизических свойств плиты беспрессового пенопласта немного уступают. В то же время оба материала в отличие от минераловатного утеплителя проявляют устойчивость к атмосферным воздействиям, что положительно сказывается на долговечности ограждающих конструкций.

Эффективность применения того или иного теплоизоляционного материала в ограждающих конструкциях должна определяться не только на основании результатов лабораторных исследований физико-технических характеристик, но и с учетом реальных условий эксплуатации.

С этой целью в течение отопительного периода проводились натурные испытания построенного в г. Тамбове в 2013 г. экспериментального каркасного дома (рис. 1), отапливаемого масляным радиатором с термостатом за счет электроэнергии, расход которой учитывался с помощью счетчика.

Ограждающие конструкции дома представляют собой панели, состоящие из деревянного каркаса, внутренней обшивки из листов гипсовой штукатурки, пароизоляционной пленки, утеплителя и внешней обшивки из декоративных цементно-стружечных плит. В качестве теплоизоляционных материалов применялись плиты экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС 35, плиты беспрессового пенополистирола ПСБ-С М15, минераловатные плиты П-75 с наружной гидроветрозащитной пленкой и без нее. Требуемая толщина утеплителей определялась теплотехническим расчетом и составила для пенополистирольных плит 100 мм, для минераловатных – 150 мм. При этом минераловатные плиты устанавливались в панели в 3 слоя толщиной 50 мм каждый с перекрытием швов, а в панелях с пенополистиролом оставался воздушный зазор размером 50 мм между утеплителем и внешней обшивкой.

В ходе испытаний исследовался температурно-влажностный режим самих утеплителей и помещения.

Определение температуры и относительной влажности воздуха в помещении осуществлялось с помощью гигрометра психрометрического ВИТ-2. Относительная влажность наружного воздуха устанавливалась по сводкам Гидрометеорологического центра России, а температура измерялась уличным термометром с точностью 1°С, закрепленным на стене с теневой стороны здания. Полученные данные ежедневно вносились в журнал наблюдений.

Измерение температуры утеплителей производилось с использованием цифрового мультиметра Mastech M838 и хромель-алюмелевых термопар открытого типа, установленных в материале по определенной схеме. В каждой точке размещалось по 2 термопары: одна на расстоянии 1 см от внутренней, а другая – от внешней границы теплоизоляционного слоя. Показания снимались ежедневно в одно и то же время и фиксировались в журнале наблюдений.

Влажность утеплителей определялась раз в неделю на образцах, отобранных в соответствии с рекомендациями [2], из средней части каждой стены на высоте 1,5 м от уровня пола.

В работе [3] на основе результатов натурных испытаний авторами проводится анализ влажностного режима эксплуатации указанных утеплителей. Отмечается, что на содержание влаги в теплоизоляционном материале оказывает влияние не только его строение, но и конструктивное решение ограждения.

Из рис. 2 видно, что наличие гидроветрозащитной пленки в стенах, утепленных минераловатными плитами без воздушного зазора, способствует накоплению влаги, а значит, снижению их теплотехнической эффективности. При этом наибольшее значение влажности наблюдалось у первого со стороны помещения слоя плит. Влажность беспрессового пенополистирола ПСБ-С М15, макроструктура которого характеризуется высоким содержанием межгранульных пустот, имела максимальное из рассматриваемых материалов значение. Экструзионный пенополистирол ПЕНОПЛЭКС® с однородной замкнутой мелкоячеистой структурой отличается наименьшим накоплением влаги, что, безусловно, повышает эффективность его применения в каркасном строительстве.

Известно, что теплоизоляционные свойства утеплителя характеризуются разницей температур на его поверхностях [4]. Представленные в [5] результаты измерения температур (табл. 1) показывают, что наибольшей теплотехнической эффективностью обладает теплоизоляционный слой из плит экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС®.

Таблица 1. Средние за десять дней отопительного периода значения температур на внутренней и внешней поверхностях теплоизоляционных слоев [5]

Тип ограждения и материал утепления	Температура вблизи внутренней поверхности, °С	Температура вблизи внешней поверхности, °С	Разница температур, °С	Относительная разность температур, °С/см
Стена, минватные плиты с гидроветрозащитной пленкой	21,61	8,36	13,25	0,88
Стена, плиты ПЕНОПЛЭКС®	22,20	12,26	9,94	0,99
Стена, минватные плиты без гидроветрозащитной пленки	22,29	10,21	12,08	0,81
Потолок, минватные плиты	23,25	9,52	13,73	0,92
Пол, плиты ПЕНОПЛЭКС®	18,93	10,60	8,33	0,83

Выполненный в [5] на основе полученных в ходе натурных испытаний данных расчет энергоэффективности ограждающих конструкций с различными утеплителями показал, что в отличие от минераловатных плит П-75 и беспрессового пенополистирола ПСБ-С М15 теплоизоляция из экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС® позволяет снизить финансовые расходы на отопление на 15% в год.

Работа [6] посвящена оценке экономической эффективности применения в каркасном строительстве теплоизоляционных плит из минеральной ваты П-75, беспрессового ПСБ-С М15 и экструзионного пенополистирола ­ПЕНОПЛЭКС®. Технико-экономическое сравнение утеплителей производилось с учетом стоимости материалов, их долговечности и энергоэффективности, затрат на утепление и ремонт ограждений. В качестве примера выполнялся расчет для отапливаемого за счет электроэнергии каркасного дома общей площадью 100 м², с площадью ограждающих конструкций (стены, цокольное и чердачное перекрытие) 300 м² и нормативным сроком службы 75 лет. Графическая интерпретация результатов представлена на рис. 3.

Из диаграммы видно, что, несмотря на преобладающую стоимость экструзионного пенополистирола ­ПЕНОПЛЭКС®, утепление им каркасного дома имеет наибольший экономический эффект. Это объясняется высокой энергоэффективностью и максимальной из рассматриваемых материалов долговечностью, позволяющей сократить количество вынужденных ремонтов. Наименьшими прямыми затратами на стадии монтажа обладает беспрессовый пенополистирол ПСБ-С М15, который, однако, характеризуется минимальной энергоэффективностью и гораздо меньшей долговечностью.

Необходимым условием экономической эффективности теплоизоляционного материала является обеспечение требуемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций на протяжении длительного срока их эксплуатации.

С целью исследования стабильности теплоизоляционных свойств рассматриваемых материалов во времени в рамках натурных испытаний проводилось определение значений коэффициента теплопроводности с помощью измерителя ИТП-МГ 4 «100» по методике, описанной в руководстве к прибору, на образцах, отобранных из ограждающих каркасных конструкций. Результаты испытаний представлены в табл. 2.

Таблица 2. Значения коэффициентов теплопроводности теплоизоляционных материалов, определенные на разных этапах эксплуатации каркасного дома

Материал	Значения коэффициента теплопроводности, Вт/(м∙°С)
	Исходные (2013 г.)	Через 1 год эксплуатации (2014 г.)	Через 3 года эксплуатации (2016 г.)
Минватные плиты с гидроветрозащитной пленкой	0,036	0,037	0,037
Минватные плиты без гидроветрозащитной пленки	0,036	0,037	0,036
Плиты ПСБ-С М15	0,042	0,052	0,054
Плиты ПЕНОПЛЭКС®	0,033	0,034	0,034

Полученные данные показывают стабильность теплофизических характеристик пенополистирольных плит ПЕНОПЛЭКС®.

Таким образом, приведенные в данной статье результаты лабораторных и длительных натурных испытаний широко распространенных теплоизоляционных материалов позволяют сделать вывод о том, что наибольшей эффективностью применения в каркасном домостроении характеризуются плиты экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС®.

Библиографический список

1. Ярцев В.П. Эксплуатационные свойства и долговечность теплоизоляционных материалов (минеральной ваты и пенополистирола) [Текст] / В.П. Ярцев, А.А. Мамонтов, С.А. Мамонтов // Кровельные и изоляционные материалы, №1, 2013, с. 8-11.

2. Рекомендации по обследованию и оценке технического состояния крупнопанельных и каменных зданий. – М.: Стройиздат, 1988.

3. Ярцев В.П. Анализ влажности различных утеплителей в ограждающих конструкциях здания при эксплуатации в отопительный период [Текст] / В.П. Ярцев, С.А. Струлев, А.А. Мамонтов // Academia. Архитектура и строительство, №4, 2013, с. 117-119.

4. Фокин К.Ф. Строительная теплофизика ограждающих частей здания [Текст] / К.Ф. Фокин. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1973. – 287 с.

5. Ярцев В.П. Оценка энергоэффективности ограждающих каркасно-щитовых конструкций с различными утеплителями за отопительный период [Текст] / В.П. Ярцев, С.А. Струлев, А.А. Мамонтов // Кровельные и изоляционные материалы, №1, 2014, с. 26-27.

6. Ярцев В.П. Оценка экономической эффективности применения утеплителей в ограждающих конструкциях каркасно-щитовых зданий [Текст] / В.П. Ярцев, С.А. Струлев, А.А. Мамонтов // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер. Политематическая. – 2015. – Вып. 1(37), с. 12. – Режим доступа: www.vestnik.vgasu.ru.